Испарение и конденсация воды. Несколько практических советов
Вода – одно из самых распространенных и вместе с тем самое удивительное вещество на Земле. Вода находится повсюду: и вокруг нас, и внутри нас. Мировой океан, состоящий из воды, покрывает ¾ поверхности земного шара. Любой живой организм, будь то растение, животное или человек, содержит воду. Человек более чем на 70% состоит из воды. Именно вода – одна из главнейших причин возникновения жизни на Земле. Как и любое вещество, вода может находиться в различных состояниях или, как говорят физики, ‑ агрегатных состояниях вещества: твердом, жидком и газообразном. При этом постоянно происходят переходы из одного состояния в другое – так называемые фазовые переходы. Одним из таких переходов является испарение, обратный процесс называется конденсацией. Давайте попробуем разобраться, как можно использовать это физическое явление, и что нужно знать об этом.
В процессе испарения вода переходит из жидкого состояния в газообразное, при этом образуется водяной пар. Это происходит при любой температуре, когда вода находится в жидком состоянии (0 0 – 100 0 С). Однако скорость испарения не всегда одинаковая и зависит от ряда факторов: от температуры воды, от площади поверхности воды, от влажности воздуха и от наличия ветра. Чем выше температура воды, тем быстрее двигаются ее молекулы и тем интенсивнее происходит испарение. Чем больше площадь поверхности воды, а испарение происходит исключительно на поверхности, тем больше молекул воды смогут перейти из жидкого состояния в газообразное, что увеличит скорость испарения. Чем больше содержание водяных паров в воздухе, то есть чем выше влажность воздуха, тем менее интенсивно происходит испарение. Кроме того, чем больше скорость удаления молекул водяного пара от поверхности воды, то есть чем больше скорость ветра, тем больше скорость испарения воды. Также следует отметить, что в процессе испарения воду покидают самые быстрые молекулы, поэтому средняя скорость молекул, а, значит, и температура воды уменьшаются.
Учитывая описанные закономерности, важно обратить внимание на следующее. Очень горячий чай пить не безвредно. Однако чтобы его заварить, требуется вода с температурой, близкой к температуре кипения (100 0 С). При этом вода активно испаряется: над чашкой с чаем хорошо видны поднимающиеся струйки водяного пара. Чтобы быстро охладить чай и сделать чаепитие комфортным, нужно увеличить скорость испарения, и охлаждение чая произойдет существенно быстрее. Первый способ известен всем с детства: если подуть на чай и тем самым удалить молекулы водяного пара и нагретый воздух от поверхности, то скорость испарения и теплопередачи увеличится, и чай быстрее остынет. Второй способ часто использовали в старину: переливали чай из чашки в блюдце и тем самым увеличивали площадь поверхности в несколько раз, пропорционально увеличивая скорость испарения и теплопередачи, благодаря чему чай быстро остывал до комфортной температуры.
Охлаждение воды при испарении хорошо ощущается, когда летом выходишь из открытого водоема после купания. С влажной кожей находиться прохладнее. Поэтому чтобы не переохладиться и не заболеть, нужно обтереться полотенцем, тем самым остановить охлаждение, вызванное испарением воды. Однако это свойство воды – охлаждаться при испарении – иногда полезно использовать для того, чтобы немного понизить высокую температуру заболевшему человеку и тем самым облегчить его самочувствие при помощи компрессов или обтираний.
При конденсации вода из газообразного состояния переходит в жидкое с выделением тепловой энергии. Это важно помнить, находясь вблизи кипящего чайника. Струя водяного пара, выходящая из его носика, имеет высокую температуру (около 100 0 С). Кроме того, соприкасаясь с кожей человека, водяной пар конденсируется, тем самым увеличивая неблагоприятное термическое воздействие, что может привести к болезненным ожогам.
Также полезно знать, что в воздухе всегда содержится какое-то количество водяных паров. И чем выше температура воздуха, тем больше водяных паров может быть в атмосфере. Поэтому летом при заметном понижении температуры в ночное время часть водяных паров конденсируется и выпадает в виде росы. Если утром пройти босиком по траве, то она будет влажной и холодной на ощупь, так как уже активно испаряется благодаря утреннему солнцу. Похожая ситуация происходит, если зимой войти с улицы в теплое помещение в очках, ‑ очки будут запотевать, так как водяные пары, находящиеся в воздухе, будут конденсироваться на холодной поверхности стекол. Чтобы это предотвратить, можно воспользоваться обычным мылом и нанести на стеклах сетку с шагом около 1 см, а затем растереть мыло мягкой тканью, не спеша и не сильно нажимая. Стекла очков покроются тонкой невидимой пленкой и не будут запотевать.
Водяной пар, находящийся в воздухе, можно с большой точностью считать идеальным газом и рассчитывать параметры его состояния при помощи уравнения Менделеева-Клапейрона. Предположим, что температура воздуха днем при нормальном атмосферном давлении составляет 30 0 С, а влажность воздуха 50%. Найдем, до какой температуры должен охладиться воздух ночью, чтобы выпала роса. При этом будем считать, что содержание (плотность) водяных паров в воздухе не изменялось.
Плотность насыщенного водяного пара при 30 0 С равна 30,4 г/м 3 (табличное значение). Так как влажность воздуха 50%, то плотность водяных паров составляет 0,5·30,4 г/м 3 = 15,2 г/м 3 . Роса выпадет, если при некоторой температуре эта плотность будет равна плотности насыщенного водяного пара. Согласно табличным данным это наступит при температуре примерно 18 0 С. То есть, если ночью температура воздуха опустится ниже 18 0 С, то выпадет роса.
По предложенному методу мы предлагаем вам решить задачу:
В закрытой банке объемом 2 л находится воздух, влажность которого составляет 80%, а температура 25 0 С. Банку поставили в холодильник, внутри которого температура 6 0 С. Какая масса воды выпадет в виде росы после наступления теплового равновесия.
Автор: Матвеев К.В., методист ГМЦ ДО г. Москвы
Источник
Способ предотвращения испарения воды с поверхности водоемов и водотоков
Использование: водное хозяйство, мелиорация и гидрология. Сущность применения: предотвращает испарение с поверхности водоемов или водостоков нанесением защитной пленки на их поверхность. 3 з.п. ф-лы.
Изобретение относится к области водного хозяйства. Более конкретная сфера применения мелиорация и гидрология. Способ предназначен для применения на объектах водохозяйственного назначения широкого профиля: водохранилищах, оросительных каналах, прудах, озерах, реках и, частично, морях, преимущественно южной аридной зоны.
Известен способ предотвращения инфильтрации влаги в оросительных системах, включающий проведение комплекса дноукрепляющих мероприятий, направленных на уменьшение просачивания влаги в грунт ложа каналов. Ложе на всем протяжении обустраивается бетонным сортаментом (плитами) и гидроизолируется. При этом сокращается миграция вод из русла каналов в близлежащие горизонты, исключается подтопление земель в зоне канала (Мелиорация, М. 1970, стр. 157-168).
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является способ предотвращения испарения воды путем нанесения защитной пленки из жирного вещества (SU, N 285680, кл. E 02 В 15/00, 1971).
Технический результат заключается в существенном сокращении испарения с поверхности водохозяйственных объектов и расширении арсенала существующего комплекса гидроизоляционных мер.
Предложенный способ дает немалый народнохозяйственный эффект при его широком применении, особенно в южной аридной зоне. Использование способа ориентировано в основном на водоемы, не имеющие рыбохозяйственного значения, или те из них, где это значение не является определяющим. Это соленые озера, болота, оросительные каналы, водохранилища, в т. ч. водохранилища сбросных вод, т. е. объекты, где экологические последствия применения не нанесут ущерба биоценозам или этот ущерб будет компенсирован эффектом, достигаемым в результате интенсификации водопользования, в т. ч. ирригации. В ряде случаев рационален будет вариант с частичным дифференцированным покрытием акватории с использованием комплекса поплавковых барьеров. Это широко известное запатентованное решение применяется, в частности, для блокирования распространения нефтяной пленки при авариях нефтетанкеров. Кроме существенного увеличения объема воды на нужды хозяйственных объектов, в ряде случаев достижим и экологический эффект. Это блокирование дефляции (ветровой эрозии) и засоления продуктивных земель в результате высыхания и оголения шельфа соленых водоемов. Предложенный способ как дополнение к серьезному комплексу мер по спасению Аральского моря поможет в том числе поддержать его сегодняшний уровень и при грамотном комплексном применении несколько поднять его в будущем. Аральское море уже не имеет рыбохозяйственного значения, а трагические последствия снижения уровня и прогрессирующего засоления земель Казахстана и Средней Азии, а также взрывной характер роста народонаселения и водопотребления выдвигают заявленный способ в число наиболее оптимальных мер по экстренному блокированию возможной экологической катастрофы.
Способ предотвращения испарения воды с поверхности водоемов и водотоков, включающий операции по блокированию спонтанной миграции влаги из объема водохозяйственного объекта, предусматривает в период, предшествующий сезонному увеличению уровня солнечной активности, искусственное покрытие водной поверхности объекта пленкой из жидкого вещества с низкими показателями теплоемкости, теплопроводности и высокими показателями поверхностного натяжения, с удельным весом, меньшим, чем удельный вес воды, сосредоточенной в водоеме.
Покрытие производят маслянистой вязкой жидкостью биологического или минерального происхождения путем приповерхностного ламинарного истечения из специальных сосудов (цистерн), размещенных в нескольких точках по периметру водоема, а также с помощью приспособленных для этих целей плавсредств или авиационной техники, рассредотачивающих жидкость по поверхности над удаленными (внутренними, центральными) зонами водоема, в количестве, достаточном для покрытия всей расчетной площади водоема таким образом, чтобы обеспечить минимальную толщину пленки, достаточную для блокирования или существенного снижения уровня испарения.
Физико-химические свойства жидкости, применяемой для поверхностно-пленочного покрытия водоема, обеспечивают минимально-негативные постэкологические последствия своего применения (например, растительные масла, углеводородное сырье).
Свойства жидкости обеспечивают длительное неразрушаемое присутствие пленки на поверхности водоема при минимальном дополнительном расходе ее на восстановление (поддержание), которое периодически производят и с профилактическими целями, например, в дни, предшествующие изменению метеорологических условий (увеличение ветра, солнечной активности, температуры и т. п.).
В водоемах (канал, река) в целях экономии наливных средств покрытие начинают с верховья (источника, начала), при этом используют рассредотачивающие свойства течения, а на водохранилищах, озерах и других крупных водоемах покрытие начинают с подветренных точек берега.
При необходимости часть площади акватории водоема дифференцируют на покрытую и непокрытую пленкой путем установки комплекса поплавковых барьеров, причем применяемую жидкость при необходимости разрушают физико-химическими или биологическими (микробиологическими) средствами.
Примеры конкретного применения.
Способ стабилизации водного баланса, преимущественно водоемов южной аридной зоны, направлен на повышение эффективности использования водохозяйственных объектов путем сокращения испарения с открытых водных поверхностей. Способ в равной степени применим к каналам, рекам, озерам, прудам, водохранилищам и более крупным водным объектам. К осуществлению способа приступают преимущественно в период, предшествующий сезонному увеличению солнечной активности. Это конец зимы. Ограничение дается по мере освобождения водоема ото льда.
Физико-химические основы способа просты и состоят в поверхностно-пленочном покрытии площади акватории водоема жидкостью, которая по удельному весу легче воды. В качестве такого жидкостного «экрана» могут рассматриваться масла биологического (растительного) происхождения, например, подсолнечное, хлопковое и др. а также очень широкий спектр масел минеральной природы. Характерный материал получается в итоге комбинирования различных жидких компонентов, являющихся наиболее доступными для данного региона. Материал построения пленки отличается высокими показателями поверхностного натяжения, при этом, если местный выбранный материал не отличается достаточными параметрами, в жидкость по традиционной схеме добавляют известные классические присадки, повышающие физические константы поверхностного натяжения. Наиболее приемлемые варианты, как указывалось выше, это растительные масла, в т. ч. подсолнечное «легированное» присадками. Поверхностно-пленочное покрытие, таким образом, имеет нужные качества: теплопроводность, теплоемкость, параметры поверхностного натяжения. Применение можно проводить как с добавлением присадок, так и без них, в зависимости от объема применения. Нанесение пленки приводит к уменьшению поступления воздуха в водную толщу, поэтому сфера применяемости способа ограничена оросительными каналами, реками и озерами, а также прудами и более крупными водоемами (водохранилищами и т. п.), не имеющими рыбохозяйственного значения.
Покрытие производят путем приповерхностного ламинарного истечения из специальных сосудов-цистерн (автомобильных), размещаемых в нескольких удобных точках по периметру водоема. Для крупных водных объектов (водохранилищ) рационально дополнять эту операцию с помощью специально приспособленных для этих целей плавсредств или авиационной техники, рассредотачивающих жидкость по поверхности над удаленными центральными (внутренними) районами водоема.
Покрытие производят в количестве, достаточном для образования минимума толщины пленки (доли миллиметра), благоприятствующего существенному или полному блокированию испарения. Операции на каналах, реках и проточных водохранилищах целесообразно начинать с верховий (истока, начала) канала или реки, при этом используются рассредотачивающие свойства течения. На реках также возможны варианты начала применения способа в средней части течения, учитывая тот факт, что в горных условиях операции способа труднодостижимы и малоэффективны из-за большой турбулизации потока. Для равнинных рек способ применим на всем протяжении потока. Применимость способа на озерах и водохранилищах должна в качестве сопутствующего фактора учитывать сезонное (роза ветров) направление ветра, используя рассредотачивающее влияние ветрового потока. Покрытие в этом случае производят с подветренных точек берега, обратный вариант неприемлем, он затормозит рассредоточение. Использование способа включает возможность дифференциального (открыто-закрыто) покрытия акватории больших водоемов. В этом случае используют комплекс поплавковых барьеров. Барьеры блокируют распространение пленки в те районы, где ее присутствие нецелесообразно. Конкретный пример.
Озеро Балхаш (Казахстан) имеет пресную западную и соленую восточную части. Покрытие соленой восточной части, не имеющей серьезного рыбохозяйственного значения, с установкой барьеров в зоне близко расположенных берегов, отсечет соленую часть и позволит адекватно увеличить отбор воды на орошение из рек, впадающих в соленый бассейн. При этом западная пресноводная часть не изменит своего рыбохозяйственного значения и т. д. Постэкологические последствия при этом будут минимальны. Среднеазиатские соленые озера могут быть покрыты пленкой из продуктов переработки нефти, например, мазутом. Это наиболее дешевое покрытие, требующее минимума специальных присадок. При этом реки, впадающие в такие озера, могут более интенсивно использоваться в ирригационной практике. Покрытие нефтепродуктами представляет собой особый интерес для сильно засоленных водоемов, где биоценозы угнетены или отсутствуют. Известно из мировой практики множество способов уничтожения и сбора нефтепродуктов с поверхности морей и океанов. В том числе способы эффективной биологической (микробиологической) очистки акватории. Поэтому такой вариант покрытия пленкой весьма перспективен, как имеющий возможность быстрой реставрации и самый экономичный по затратам средств.
Способ включает комплекс операций, направленных на поддержание толщины пленки. Сроки проведения периодически в летний период, и в период, предшествующий изменению метеорологической обстановки (увеличение ветра, температуры и т. п.). Толщина пленки фиксируется традиционными способами.
1. Способ предотвращения испарения воды с поверхности водоемов и водотоков, включающий нанесение защитной пленки на поверхность воды, отличающийся тем, что нанесение пленки производят в период, предшествующий сезонному увеличению уровня солнечной активности путем ламинарного истечения из сосудов, размещенных по периметру водоема, а также с помощью плавсредств или авиационной техники, покрытие водотока начинают с верховья, а водоема с подветренной стороны, а в качестве пленки используют жидкие вещества с низкими показателями теплоемкости, теплопроводности и высокими показателями поверхностного натяжения с удельным весом меньшим, чем удельный вес воды.
2. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве жидких веществ используют углеводородное сырье, например растительные масла, обеспечивающие минимально-негативные постэкологические последствия их применения.
3. Способ по п.1, отличающийся тем, что жидкие вещества, используемые в качестве пленки, обладают свойствами, обеспечивающими длительное неразрушаемое присутствие пленки на поверхности водоема при минимальном дополнительном расходе ее на восстановление (поддержание), которое периодически производят с профилактическими целями.
4. Способ по п.1, отличающийся тем, что покрытие производят дифференцированно, отделяя покрытые пленкой зоны от не покрытых поплавковыми барьерами, при необходимости пленку разрушают физико-химическими или биологическими методами.
Источник
